肠道微生物对疾病发生发展和中药代谢的影响

李庆军，曲新艳

1. 山东中医药大学，山东 济南250355；2. 齐鲁工业大学（山东省科学院），山东省分析测试中心，山东 济南250014

人体肠道中微生物的总数与人体细胞数量几乎相等[1]。目前已经鉴定出约1200 种不同的细菌在人类肠道中都有发现，每一个宿主的肠道至少含有160 种由不同细菌组成的微生物群。肠道微生物群基因组编码的基因大约是人类基因组编码基因的500 倍，在微生物信号的风暴中，宿主基因信号几乎可以被忽略[2-5]。最近的数据表明，肠道微生物可以多层次调节人体健康的关键功能。也有越来越多的研究表明，微生物代谢物作为信号分子，可以影响身体其他器官的功能，许多人类疾病的发生发展都与肠道微生物有直接或间接的关系[6-9]。肠道菌群还可以直接影响中药有效成分的转化、吸收，对中药的药理药效产生重大影响[10-12]。本文将讨论肠道微生物如何跟其他器官相互联系并影响疾病的发展，以及肠道微生物对中药代谢的影响。

1 肠道微生物

在人类肠道中，微生物密度从近端到远端逐渐增大，总量约为2000 克，其中严格厌氧菌占主导地位并影响其他微生物的繁殖[13]。目前，除了肠道细菌外，肠道中其他种类微生物对人类健康影响的相关研究还相对较少。绝大多数肠道细菌是由拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门、变形菌门和疣微菌等5 种门的细菌组成，但是在种水平上肠道细菌的种类和丰度具有非常大的多样性。厚壁菌门主要包括梭菌属、乳酸菌、瘤胃球菌，以及产生丁酸盐的优杆菌属、粪球菌属、罗氏菌属。拟杆菌门的成员可以高效降解膳食纤维，包括拟杆菌属、普氏菌等。双歧杆菌是放线菌门的一个主要属，该门的几种细菌常被用作益生菌。变形菌门包括大肠埃希氏菌属和脱硫弧菌属，而疣微菌门迄今已知的仅有嗜黏蛋白阿克曼菌[14]。有学者根据肠道中拟杆菌属、普氏菌属和瘤胃球菌属菌群的相对丰度，将人的肠道微生物分为3个肠型，但目前这种分类方法仍存在争议[15]。肠道微生物群的成员共同存在并依靠彼此的新陈代谢活动。另外，在相同的环境条件和营养物质缺乏时也会导致细菌种内或种间的竞争。

目前对人类肠道微生物的认识多是通过对粪便分析获得的。但是在肠道不同位置的微生物群组成是不同的，甚至在同一段，肠腔内和黏膜黏附的细菌以及寄居在黏膜上的细菌也是有显著差异的。由于上皮细胞中的氧可以扩散出一部分，甚至在小鼠肠道隐窝中也可以检测到好氧细菌。不同的微生物可能产生相同的代谢物，这些小分子化合物更容易扩散，并产生生理功能，或影响疾病的进程及药物作用[16]。肠道微生物与肠黏膜免疫系统处于稳态平衡关系中，干扰这种相互作用可能会导致疾病。肠道微生物的组成结构或代谢物可以通过肠上皮细胞直接作用于其他器官，或通过激素、神经信号传导等方式发挥作用。

2 肠道微生物相关信号分子

2.1 免疫信号分子

病原相关模式分子（MAMP）如脂多糖、肽聚糖、鞭毛蛋白或其他结构成分被上表皮细胞或免疫细胞表面模式识别受体（PRR）识别，如toll 样受体（TLR）、NOD 样受体（NLR）或RIG-1 样受体（RLR）[17-18]，并阻止这些分子穿过上皮屏障发生易位转移，避免发生全身性炎症反应。但是仍会有少量细菌或细菌代谢物如脂多糖（LPS）通过细胞旁路扩散、细胞转运等途径进入淋巴和血液循环，影响疾病的发生发展[19]。另外，动物实验显示，来自不同的肠道微生物的LPS 会产生不同的TLR4 信号，并产生不同的生理效应[20]。肠道微生物及其代谢产物产生的信号只有一小部分能通过PRR 识别，还有更多的信号分子可以调节宿主基因转录，研究显示，将人类微生物群移植到无菌小鼠的肠道中，诱导了肠内代谢基因的表达，而非与免疫相关的基因的变化，这表明代谢途径可能更保守。3-吲哚乙醛是芳基碳氢化合物受体（AHR）的配体，最近研究表明，肠道菌群产生AHR 配体的能力受损与炎症性肠病（IBD）有关，肠道微生物可将色氨酸分解成3-吲哚乙醛，进而诱导了白细胞介素22（IL-22）的表达，IL-22 是调节肠黏膜内稳态的重要的细胞因子，也可以减少假丝酵母菌的耐药性[21-23]。

2.2 短链脂肪酸（SCFA）

肠道微生物降解膳食纤维主要生成乙酸、丙酸和丁酸盐等短链脂肪酸，并提供部分人体所需能量。SCFA 也是肠道菌群产生的重要信号分子，它们可以与G 蛋白偶联受体41（GPCR41）结合，诱导肠道上皮细胞的肠内内分泌肽YY（PYY）的表达，抑制肠道蠕动，并从饮食中增加能量收获[24]。SCFA 与GPCR41 或GPCR43 的结合触发小鼠胰高血糖素样肽（GLP-1）在肠L 细胞的分泌，对胰腺功能和胰岛素释放有很大的影响，并有调节中枢效应。由于GLP-1 的半衰期极短，SCFA 较远的影响可能通过与靠近肠道的传入神经受体结合来调节，然后将信号传递给大脑。此外，肠神经表达GPR41，这将使得SCFA 可以直接作用于神经系统[25-27]。

醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐对宿主生理的影响是不同的，而且在不同生理病理状态下经常发生变化。丙酸可以作为肠道葡萄糖异生的前体，而丙酸和丁酸均可诱导糖原酶的表达，促进新陈代谢改善。研究表明醋酸盐可以通过中枢机制抑制食欲，而最近的研究发现，喂养高脂肪食物的小鼠体内醋酸盐水平增高，表明醋酸盐刺激了副交感神经系统的迷走神经，进而增加了食物的摄入量，促进了肥胖。此外，醋酸盐还可以通过刺激迷走神经，引发胰岛B 细胞分泌胰岛素[28-30]。

2.3 胆汁酸（BA）

胆汁酸在肝脏中由胆固醇分解生成，在小肠远端和结肠处被肠道微生物进一步化学修饰。BA 可以激活核受体，如法尼醇X 受体（FXR）和G蛋白偶联受体（GPCR）等，微生物群可以通过受体或代谢途径调控BA 对2 种受体的激活。分泌到小肠的BA 可以在回肠被肠道菌群解离，使它们能够避免被重新吸收，并在结肠微生物作用下进行脱氢、二羟基化和差向异构化反应。相反的，牛黄结合β鼠胆酸（TβMCA）是在小鼠体内含量丰富的初级胆汁酸，最近被鉴定为FXR 拮抗剂。因此，回肠中微生物对这种胆汁酸的代谢可以平衡FXR 活化。FXR 在肠内活化诱发成纤维细胞生长因子（FGF）表达，抑制胆固醇7α-羟化酶（CYP7A1）在肝中的表达，这是BA 合成的限速步骤，通过肠道微生物-肝的反馈调节降低了BA的水平。研究显示，胆汁酸可以影响大鼠盲肠中的微生物组成，其具体机制还须进一步研究[31-32]。

3 肠道微生物对疾病发生发展的影响

3.1 肠道微生物与肝脏疾病

Marshall 在1998 年提出“肝肠轴”概念，认为肝脏和肠道在一定程度上保持着解剖结构及后天的功能联系。多项研究也证实肠黏膜屏障功能受损，导致肠道内细菌及其代谢产物经门静脉系统进入肝脏，激活肝脏固有免疫系统，进一步造成肠黏膜、肝脏以及其他器官受累。在肝脏疾病中，可以见到粪便、回肠和结肠黏膜中微生态失调，肠道中胆汁酸浓度减少，而厚壁菌门，尤其是梭状芽孢杆菌增加了脱氧胆酸的产量[33]。

肠道通过门静脉为肝脏提供了大量肠源性物质，包括微生物核酸及其代谢产物以及肽聚糖等物质，肝脏直接接触了肠道微生物相关的大部分成分。正常情况下，肠道微生物和肠道组织一起构成了人体的一道防御。肠道微生态失衡与肝病致病因素共同导致肠道屏障受损，肠道通透性增加，使得肠道内的细菌及其产物进入门静脉，肝脏暴露于来源自肠道的有害物质的环境中，肝脏固有免疫系统被肠道产物激活，引发一系列炎症级联反应和免疫反应而造成肝损伤，反过来又会影响肠道功能并形成恶性循环，所以肠屏障功能和肝脏解毒作用相辅相成，若两者的平衡被打破则会引发病变[34]。研究表明，中药通过肠道微生物来影响肝硬化及其并发症。邢铭友等发现穿心莲能抑制肝硬化大鼠肠道细菌过度生长，减少细菌移位的发生率，对肝硬化大鼠肠道通透性有保护作用[35]。

3.1.1 肝炎肝硬化与肠道微生物 在我国，肝硬化的最主要病因是乙型病毒性肝炎，国内外研究发现，慢性乙型肝炎以及肝硬化患者体内存在不同程度的菌群失调，表现为肠球菌、梭菌属、白假丝酵母菌及普雷沃菌含量明显增加，拟杆菌属、双歧杆菌、乳杆菌含量减少。而肠道微生物在宿主感染乙肝病毒（HBV）引起的免疫调节及肝硬化预测中起到的作用不容忽视，研究发现肠道微生物通过刺激成年小鼠的肝脏免疫系统可以快速清除HBV[36]，此外还有研究表明可通过肠道微生物移位产生的脂多糖预测肝炎患者终末期的预后。肠道微生物的变化与肝炎肝硬化密切关联，为肝炎肝硬化的诊断和治疗带来新思路[37-38]。

3.1.2 非酒精性脂肪肝与肠道微生物 调查显示，在肥胖人群中非酒精性脂肪肝（NAFLD）发病率高达75%。NLR 和TLR 共同推动了NAFLD 的发展，并且通过炎症相关系统造成脂肪堆积[39]。动物实验也显示小鼠体内NLR3 和NLRP6 的缺乏和肠道失调有关，并且会导致进入肝门静脉的LPS 和细菌核酸片段等产物的增加。最近的小鼠实验研究表明，肠道细菌分子转移到肝脏会加剧NAFLD 的发生。炎症研究结果发现，易感染的小鼠识别肠道中大肠杆菌的能力不足，进而导致了可以引起结肠炎的菌群的形成。喂食胆碱缺乏的饮食后，有较高的TLR4 和TLR9 受体激动剂在门静脉。激活肝脏中相应的TLR 和随后的肿瘤坏死因子（TNF-α）信号导致肝毒性，并进一步发展为脂肪性肝炎（NASH）[40]。

3.2 肠道微生物与脑

肠道微生物可以对大脑形态产生影响。与普通小鼠相比，无菌小鼠的扁桃体和海马结构的完整性发生了变化，将特定菌群定植到无菌小鼠体内可以揭示不同的微生物对大脑形态的影响。肠道微生物与大脑的免疫防护密切相关，大脑内部与外界的物质交换由血脑屏障严格控制，研究发现，无菌小鼠的血脑屏障比正常小鼠更具有渗透性，将产生SCFA 的短纤丁酸梭菌或多形拟杆菌移植到无菌小鼠后逆转了这一表型。无菌鼠或抗生素处理的小鼠由于神经小胶质细胞发育不成熟，免疫功能受损，对细菌和病毒的反应减弱，小胶质细胞的形态和分布也存在差异，给无菌小鼠补充SCFA 混合物后小胶质功能可以基本恢复。同样地，缺乏SCFA 受体的GPCR43 基因敲除小鼠小胶质细胞的形态也发生了改变。因此，SCFA 可能是肠道微生物调节作小神经胶质细胞变化的重要信号分子[41-42]。无菌小鼠发育早期移植SPF 小鼠的粪便或双歧杆菌会降低应激反应，相比之下，移植致病性大肠杆菌（EPEC）加重了应激反应，揭示了不同的肠道微生物组成影响大脑的化学反应并可能对行为有不同的影响。其中，激活副交感神经系统迷走神经是肠脑交流的一种途径。在一个化学诱导结肠炎的小鼠模型中，在肠道内移植双歧杆菌激活迷走神经通路减少了焦虑行为。同样，饮食补充乳酸菌可以调节脑部γ-氨基丁酸（GABA）受体，抑制神经递质信号。因此，微生物通过迷走神经与脑交流交流，并能减轻压力、焦虑和抑郁相关行为[43]。

3.2.1 肠道微生物与阿尔茨海默病 随着世界性老龄化加剧，阿尔茨海默病发病人数逐年增加，而相应的治疗药物却进展缓慢，引起了各国科学家的重视。国际阿尔茨海默病协会发布的报告显示，2015 年全球新发阿尔茨海默病990 万名，发病率随年龄增长不断提高[44]。该病是一种原发性退行性脑病，显著性病理特征有β淀粉样蛋白沉积、神经元数目减少、神经原纤维缠结、炎症反应等。研究显示，阿尔茨海默病的多项病理变化均与肠道微生物有关。随着年龄的增长，肠道中的梭状芽孢杆菌、乳酸杆菌、双歧杆菌数量和比例下降，导致去甲肾上腺素、乙酰胆碱等神经递质减少，进而影响宿主的认知功能。而另一方面，葡萄球菌、大肠杆菌、蓝细菌及革兰阴性菌等细菌的数量和比例升高，会导致肠道乃至整个循环系统中炎症因子或内毒素的增加，进而诱发炎症反应[45]。同时，双歧杆菌及乳酸杆菌不断减少，使得宿主自身消除炎症的能力不断下降，形成恶性循环，最终影响神经细胞的功能，诱发阿尔茨海默病。

3.2.2 肠道微生物与肝性脑病 肝性脑病是由多种因素引起的复杂性神经病征。目前认为门静脉阻塞、尿酸循环障碍是其主要诱因。肠道细菌产生的氨是肝性脑病发病的重要机制，结肠细菌分解蛋白质、尿素产生氨，小肠细菌降解氨基酸谷氨酰胺也可以产生氨。肝脏是降解血氨的主要器官，若肝脏发生病变或门静脉阻断时，血氨无法通过肝脏降解，就会透过血脑屏障，导致肝性脑病发生[46]。肠道细菌除了通过产氨影响肝性脑病的发生外，还可以通过其他产物参与介导肝性脑病的发生，如肠道细菌产生的短链脂肪酸或中链脂肪酸具有神经毒性，经细菌合成的苯酸也有神经毒性。此外，肠道细菌或其产物透过肠壁进入体内引发的机体全身性系统性炎症反应也会影响脑部状态，诱发肝性脑病[47]。

4 肠道微生物对中药代谢的影响

中药成分众多，作用机制复杂，除了已知的有效化学成分外，还含有蛋白质、微量元素、维生素等活性成分，具有多重生理活性。肠道微生物对经口服用药的中药作用的发挥有重要影响，中药口服进入体内在肠道内与肠道微生物充分接触、相互作用，引起成分修饰、吸收增加或减少。吸收的改变除了对药效有影响外，对中药的毒性也有显著影响。同时，中药在肠道内也会直接对肠道微生物平衡，如正常肠道微生物的菌群数量、代谢调节有着不可忽视的影响，甚至以此影响疾病治疗[48]。

4.1 肠道菌群与中药代谢

在临床应用中，中药通常是水煎服或通过水、乙醇提取后用于生产各种剂型。提取物中极性化合物居多，生物利用度通常较低。肠道微生物介导的生物转化可将化合物分子转换为更具亲脂的化合物以增加其生物利用度。在许多中药以及它们的水、乙醇提取物中含量丰富的皂苷类化合物，如三萜皂苷和黄酮皂苷，因为氢键数目较多、强极性导致肠渗透性差，极大地限制了皂苷类化合物的吸收。肠道微生物通过催化去糖基化反应产生二级皂苷或皂苷元等方式，大大增加了其生物利用度。除了皂苷水解酶之外，肠道微生物群还可以生成氧化酶、还原酶、酯酶等许多其他类型的酶，可以催化氧化、羟基化、甲基化、脱水、脱羟基化、去甲基化、脱羧化等多种类型的化学反应。

4.2 中药通过肠道菌群治疗疾病

中药在肠道代谢过程中也会引起肠道微生物的改变，中药单体、单位药或中药方剂能够通过调理肠道微生物改善或治疗与肠道微生态相关的疾病，包括糖尿病、非酒精性脂肪肝、溃疡性结肠炎、阿尔茨海默病等。研究者通过无菌模型或粪便移植实验，证明部分中药确实通过靶向肠道微生物治疗疾病。致病性肠道细菌可通过产生有毒代谢产物导致肠道或全身性疾病，如结肠炎、菌血症、尿路感染等。体外研究证明，多种中药或中药提取物对大肠杆菌、幽门螺杆菌、铜绿假单胞菌等致病菌有很好的抑制效果[49-50]。在相关疾病模型中也观察到中药在体内可以抑制病原体，如红参和大黄素可以显著减轻大肠杆菌导致的溃疡性结肠炎和慢性肾病，大黄素显著降低了与慢性肾脏病相关的产气荚膜梭状芽孢杆菌的数量[51-52]。

中药可以选择性刺激共生有益菌（乳杆菌属、双歧杆菌属和拟杆菌属）的生长，发挥益生元样作用。哺乳动物肠道微生物具有很强的利用外源性和内源性碳水化合物作为营养素的能力。中药的益生元样作用多数为碳水化合物和皂苷组分。菊糖、低聚果糖、低聚半乳糖和多糖类成分已被广泛用作益生元[53-54]。不同中药可以产生不同的益生元样作用。例如，在溃疡性结肠炎的治疗中，八味逍遥散增加了拟杆菌和乳杆菌，而红参增加了乳杆菌但降低了双歧杆菌。通过肠道微生物产生大量的SCFA，在宿主全身有多处作用靶标[55]。中药对SCFA 生产也有重要影响，在黄连对小鼠肥胖模型和胰岛素抵抗模型的研究中发现，产SCFA 的细菌Blautia和Allobaculum在肠道微生物中的比例显著增加。此外，还发现小檗碱显著增加粪便SCFA。考虑到其主要成分有显著的抑菌作用，可能是小檗碱通过抑制肠道共生菌中的某些竞争性细菌，间接促进产SCFA细菌的增殖。益生菌可以激活不同的信号通路，在疾病和健康中发挥肠道和系统功能[56]。

中药对肠道微生物群的调节很可能是中药-微生物-宿主相互作用的综合结果。常见的共生细菌通过竞争生态位和营养物，促进宿主免疫抗性来抑制病原体的定植抗性，而病原体分泌的有毒物质会破坏这种定植抗性，导致肠道稳态失衡。这意味着中药对肠道微生物群的直接作用力可能会改变中药-微生物-宿主相互作用的平衡点[57]。另外，中药有益或有害的调节不是固定不变的，而是取决于宿主和肠道微生物的状态。

5 结语

肠道微生物群可以与宿主的器官和组织联系，并对机体重要功能和药物代谢产生影响，在维持人体免疫功能、新陈代谢等方面发挥重要作用。肠道微生物群是随着机体的状态动态变化的，肠道菌群变化直接或间接地反映宿主健康状况。由于肠道菌群组成的改变与疾病的关系密切，科学家围绕饮食干预调节肠道菌群改善疾病做了多项研究[58]。识别个体相关的微生物代谢产物与疾病的关系可能是个性化医学的一个重要方向。另外，通过粪便微生物组移植（FMT），可以成功改变宿主原有的微生物组成并治疗或改善相关疾病。例如，FMT 在治疗复发性梭状芽胞杆菌感染方面取得了良好的效果。肥胖症患者接受瘦型捐献者的微生物组后胰岛素敏感性提高了[59-60]。

随着测序技术的突破和普及，科学家已经获得了海量肠道微生物基因组数据，提取这些信息并与宿主生理功能和病理改变进行关联，仍须大量的科研实践来完成。通过分析分离的菌株或特定群落对人体宏量的反应，将这些发现与特定疾病的生物标志物和生理参数联系起来，如免疫性疾病或体重。鉴定细菌代谢物调节的生理过程，将促进我们理解微生物如何影响宿主。用组织特异性敲除的无菌小鼠或通过微生物代谢物刺激体外培养的原代细胞，鉴定细菌菌株以及代谢物相关的信号通路，从而发现新的疾病或药物靶点，并针对性地开发相应的药物。除了前文中提到的疾病，在特应性皮炎、系统性红斑狼疮、炎性肠病、Ⅰ型糖尿病以及多发性硬化症等疾病中也观察到了肠道微生物群的变化[61-64]。每种疾病都有多种表型，其中的一些表型可能和肠道微生物组成相关，为相关疾病研究提供了新的视角。

肠道微生物的多样化和中药成分、作用的多样性和复杂性，为相关科研人员提出了许多新的研究课题，中药与肠道微生物的相互作用已经成为中医药研究的热点领域。目前中药有效成分提取分离方面取得了很大进展，但中药有效成分与肠道微生物相互作用的机制仍比较模糊，从分子层面探讨中药与肠道微生物相互作用的相关研究还相对较少。高效基因编辑技术、第三代测序技术等新技术和新方法的发展和应用，为深入研究中药调节肠道微生物提供了有力支持。研究肠道微生物和中药之间的相互作用机制，对于认识中药作用机制、合理使用中药、中药新药研究开发，以及阐明中医理论的科学内涵均具有重要意义。